Фотонные кристаллы
Ученые не чужды моды, и за последние пятнадцать лет биология переживает революцию слов, заменяющую «логию» на «омику». «Молекулярная биология» в значительной степени заменена «геномикой» и «протеомикой», и «физиология» сражается за свою жизнь против «метаболомики». Я предложил заменить «биохимию организма» «органомикой» и «экологию» на «экономику», но эта пара, похоже, уже занята. Физики идут тем же путём, заменяя «оптику» на «фотонику». Новые слова – это весело, но важно понимать, что в большинстве случаев эти изменения, даже если они и имеют какое-либо значение, больше касаются прогресса в методах, чем революции в знании.
Что приводит нас к фотонным кристаллам. Вероятно, ни одна тема в современной биологической оптике не окутана большей мистикой и меньшей ясностью, чем фотонные кристаллы. По большей части это объясняется тем, что биологи не знакомы с наиболее полезной для анализа фотонных кристаллов математикой. По моему мнению, большая часть путаницы излишня.
Прежде всего, фотонный кристалл представляет собой еще одну повторяющуюся структуру, при анализе которой необходимо принимать во внимание интерференцию, чтобы определить наблюдаемое рассеяние. Во-вторых, одномерные фотонные кристаллы знакомы почти всем; это мыльные плёнки, брэгговские стеки, и другие интерференционные отражатели. Эти структуры, как мы теперь знаем, сильно отражают определённые длины волн света и позволяют другим волнам проходить через интерференцию. Они называются одномерными, поскольку показатель преломления варьируется только вдоль одной оси, даже если материал сформирован в слои. Тем не менее, здесь на сцену снова вступает терминология, убивая всё веселье. Область длины волны, в которой отражается свет, теперь называется «областью фотонного запрета», и вы начинаете читать сентенции типа «Область фотонного запрета – это, по существу, зазор между линией воздуха и диэлектрической линией в дисперсионном отношении систем фотонного запрета» (из Википедии). Поди пойми.
Это не значит, что фотонные кристаллы не интересны. Они очень интересны, особенно многомерные. Как мы обсуждали, проблема с брэгговскими отражателями состоит в том, что отражаемый ими свет зависит от ориентации падающего луча света относительно слоев материала. Поверните стек Брэгга на девяносто градусов, и он не работает вообще. Однако двумерные фотонные кристаллы имеют одинаковые оптические свойства (обычно высокоселективную передачу или отражение света в узких диапазонах длин волн) для света с любым углом падения на плоскость. Трёхмерные кристаллы работают со светом, приходящим со всех направлений. Это хороший трюк, и достигается он с помощью повторяющихся структур с высоким и низким показателем преломления.
Опалы являются природными, хотя и несовершенными трёхмерными фотонными кристаллами, состоящими из множества плотно упакованных кремнезёмных сфер, каждая диаметром от 150 нм до 300 нм. Свет, рассеянный этими сферами, создает сильно зависящую от длины волны сложную интерференционную картину, и придаёт опалам их цвет.
Фотонные кристаллы приводят инженеров по оптике в трепет, потому что трудно создать модели столь крошечного размера, чтобы они работали с видимым светом. Требуемые крошечные структуры и отверстия чаще всего делаются с использованием технологий, заимствованных из полупроводниковой промышленности, но здесь всё ещё технологическое препятствие.
Тем не менее, организмы без проблем создают повторяющиеся структуры требуемых размеров – это одна из вещей, которые природа делает лучше всего. Фотонные кристаллы впервые получили своё название в 1987 году, и с того момента они были обнаружены в целом ряде животных тканей. Конечно, одномерные фотонные кристаллы повсеместны у животных, но также были найдены многомерные, один из первых в шипиках многощетинкового кольчатого червя Aphrodita. Этот плотный коричневый сгусток, обычно известный как «морская мышь» (причины названий становятся ясны если взглянуть на животное и знать греческую мифологию и матросский сленг), является последним местом, где можно ожидать найти прекрасную оптическую структуру. Однако шипики Афродиты очень радужные, если смотреть под ярким прямым светом. Эндрю Паркер с коллегами рассмотрели ультраструктуру шипов и обнаружили, что они работают как двумерные оптические кристаллы со 100%-ным отражением на некоторых длинах волн, наряду с полным отсутствием отражения на других (Вклейка. 6) (Parker et al., 2001).
Они полагают, что иризация может служить животному для распознавания или ухаживания, но я сомневаюсь на этот счёт. Эти животные обычно зарываются в грязный грунт, иногда на большой глубине. На расстоянии более чем пяти метров ниже поверхности, даже в самой чистой воде световое поле просто слишком размыто и монохроматично, чтобы создать любое переливание цвета даже в наиболее захватывающих с точки зрения оптики структурах. Я предполагаю, что фотонный кристалл просто является красивым побочным продуктом структуры, дающей животному сильный позвоночник, подобно невидимому наблюдателю перламутровому покрытию внутренней поверхности раковин морского ушка. Ещё одни природные фотонные кристаллы содержатся в гребных пластинках гребневиков, но их иризация также, вероятно, не имеет оптической функции, поскольку её можно увидеть только вблизи поверхности (тем более что само животное является слепым, а поскольку оно не является ядовитым, то не использует цвет для предупреждения хищников о токсичности).
Тем не менее, существуют фотонные кристаллы с очевидными оптическими функциями. Они в основном встречаются у бабочек и могут быть довольно сложными, сочетая рассеяние света с отражениями и поглощением пигментами. Трехмерные кристаллы встречаются, но реже двумерных и, конечно, реже одномерных. В дополнение к гребневикам и Aphrodita двумерные кристаллы также встречаются в перьях павлинов и некоторых других птиц. Фотонные кристаллы у птиц и насекомых, по-видимому, функционируют как структурные цвета для внутривидовых сигнальных систем, хотя, конечно, у нас нет окончательных поведенческих доказательств для каждого вида. Важно понимать, однако, что свет от фотонных кристаллов не является каким-то особым, поэтому основанные на них цвета, вероятно, выполняют те же функции, что и более типичные структурные цвета. Другими словами, животные не «знают», что они развили структуру, от вида которой у оптического инженера текут слюнки.
Заключение
В итоге, почти вся оптика, которую вы изучали в средней школе и колледже, является результатом рассеяния и интерференции. Так почему же её тогда не описывают таким образом? В конце концов, физики обычно стремятся к единству. Мне кажется, что может быть несколько причин, но моя основная догадка в том, что принципы оптики и сокращения для вычислений были разработаны до компьютеров. Многие из ученых, разработавших эти правила, понимали лежащую в основе физику, но не могли выполнять фактических вычисления. Поэтому они разработали уравнения, которые были либо приближениями, либо работали только в определённых геометриях. Несколько человек были гениями в вопросе получении максимальной информации при минимальном количестве вычислений, но в результате большинство обычных людей остались с идеей о том, что отражение, пропускание, преломление, дифракция и множество других явлений являются отдельными процессами, когда на самом деле они все могут быть объяснены рассеянием и интерференцией.
Так почему бы просто не использовать эти простые правила? Во многих случаях вы можете и должны. К сожалению, в отличие от материалов в технологическом мире, биологическая ткань представляет собой геометрический беспорядок. Оптически совершенные сферы, параболы и плоские поверхности редко встречаются в природе. Что ещё более важно, ткань редко бывает однородной. Это означает, что применение классических оптических уравнений, например Снела или Френеля, в лучшем случае рискованно, а в худшем случае бессмысленно. Вместо этого вам, как правило, нужно учитывать, сколько света рассеивается из каждой маленькой области и складывать все волны. Звучит ужасно, но мало кто на самом деле делает это аналитически. Вместо этого используются программные пакеты, решающие задачу с помощью стандартных методов – метода конечных элементов и метода конечных разностей. Их описание выходит за рамки этой книги, но последние пакеты не слишком дороги, и позволяют вводить любую нужную геометрию. Бум персональных компьютеров подарил нам дешёвые машины, которые могут перемолоть эти числовые алгоритмы за несколько минут, а не недель. Другими словами, анализ сложных оптических структур стал практически осуществимым, и, в некоторых случаях, почти рутинным. Это очень вовремя, поскольку мы только начали узнавать, что животные могут делать со светом.